# ובכל זאת, אולי הניטרינו לא עבר את מהירות האור

> הפיסיקאים מצילים את הניטרינו מלהיות ניטרינו טכיוני: חלק ראשון במעקב אחר נסיונות תיאורטיים להסביר את תוצאות ניסוי אופרה מבלי להפר את תורת היחסות מאז שפורסמו תוצאות ניסוי הניטרינו הפיסיקאים הציעו כ-80 הסברים שונים לתוצאת הניסוי: חלקם הציעו תיאוריות חדשות שתסברנה מדוע הניטרינים מסוגלים להגיע בזיק של ננו שנייה לפני האור. חלקם הסבירו מדוע התוצאה אינה מתיישבת עם הידע הקיים וחלקם ניסו לגייס את הארסנל המודרני ביותר של המדע – הכבידה…

- Canonical: https://www.hayadan.org.il/maby-neutrino-didnt-pass-speed-of-light-181011
- Author: דר. גלי ויינשטיין
- Published: 2011-10-18T00:05:57+02:00
- Modified: 2011-10-18T00:31:19+02:00
- Sections: פיזיקה קוונטית
- Topics: טכיונים, נויטרינו, ניוטרינו טאו, ניוטרינו מיו, ניטרינו

## Article

הפיסיקאים מצילים את הניטרינו מלהיות ניטרינו טכיוני: חלק ראשון במעקב אחר נסיונות תיאורטיים להסביר את תוצאות ניסוי אופרה מבלי להפר את תורת היחסות מאז שפורסמו תוצאות ניסוי הניטרינו הפיסיקאים הציעו כ-80 הסברים שונים לתוצאת הניסוי: חלקם הציעו תיאוריות חדשות שתסברנה מדוע הניטרינים מסוגלים להגיע בזיק של ננו שנייה לפני האור. חלקם הסבירו מדוע התוצאה אינה מתיישבת עם הידע הקיים וחלקם ניסו לגייס את הארסנל המודרני ביותר של המדע – הכבידה הקוונטית, תורת המיתרים, ממדים רבים וכדומה כדי לנסות ולהבין מדוע דווקא ניטרינים אנרגטיים יכולים אולי להקדים את האור. הקהילייה המדעית השתכנעה עד כה משני הסברים. ההסבר הראשון, הסבר פיסיקאלי, שעוסק בהתנהגות הניטרינים עצמם והוא ניתן עלי ידי זוג פיסיקאים מאוניברסיטת בוסטון, שלדון גלשו וסידני קולמן. ההסבר השני עוסק בטעות בחישוב הזמנים במערך ה-GPS והוא ניתן על ידי רונלד ואן אלבורג מאוניברסיטת גרונינגן מהולנד (שיוצג בחלק השני). בחלק זה נתמקד בהסבר הראשון של שלדון גלשו וסידני קולמן מאוניברסיטת בוסטון שמציעים (בעקבות מחקרם בקרינת צ'רניקוב), אילו הניטרינים היו נעים במהירות גבוהה מזו של האור, אפילו במעט, הם היו סובלים מפליטת זוגות ברמשטרלונג: אלקטרון-פוזיטרון. דבר זה היה גורם לקרן הניטרינים להתדלדל מניטרינים בעלי אנרגיה גבוהה. בהגיעה לגלאי האופרה הקרן כבר הייתה מאבדת את מרבית האנרגיה שלה והייתה עוברת עיוותים ספקטראליים. מכיוון שזה לא נתגלה עובדה זו סותרת את ממצאי גלאי האופרה לפיהם הניטרינים נעים במהירות על-אורית. הפיסיקאי מאט סטרסלר מסביר את הנושא בצורה מקיפה והסברו מובא כאן לטובת הקורא הישראלי. האם יתכנו ניטרינים טכיוניים? הפיסיקאים מסרבים להאמין ומנסים במלוא המרץ לחפש הסברים פיסיקאליים מדוע לא יתכנו ניטרינים טכיוניים. [הפיסיקאי התיאורטיקן מאט סטרסלר](http://profmattstrassler.com/2011/10/06/is-the-opera-speedy-neutrino-experiment-self-contradictory/) מסביר מדוע לא יתכנו ניטרינים שנעים במהירות גבוהה מזו של האור (ניטרינים טכניוניים). הסברו מובא כאן לטובת הקוראים הישראלים. כמה ימים לאחר ההודעה של CERN שני פיסיקאים מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת בוסטון, אנדרו כהן ושלדון גלשו, סירבו להאמין לתוצאות הניסוי ופרסמו [מאמר שמפריך אותן](http://arxiv.org/abs/1109.6562). אנדרו כהן הוא מומחה לפיסיקה של אנרגיות גבוהות ואילו שלדון גלשו הוא זוכה פרס נובל עבור עבודתו על הכוח הגרעיני החלש. בשנות התשעים גלשו כתב שני מאמרים עם הפיסיקאי המנוח סידני קולמן על קרינת צ'רניקוב. צ'רניקוב חקר את האור הכחול שמופיע כאשר עצמים רדיואקטיביים – שמכילים אטומים שגרעיניהם דועכים לגרעינים אחרים על ידי פליטת חלקיקים באנרגיות גבוהות – היו ממוקמים ליד מים וחומרים שקופים אחרים. כל חלקיק טעון, כמו אלקטרון, שנע באנרגיה מספיק גבוהה, במים, אוויר ובכל תווך שקוף אחר יאיר באור כחלחל. אור זה נע החוצה מהחלקיק בזווית כלשהי מתנועת החלקיק. זהו מעין בום על פוטוני (כמו איזה בום על קולי) שנע באוויר במהירות על אורית. האור בתווך שקוף יחצה את התווך במהירות שונה ממהירות האור בואקום בגלל האינטראקציות בין האור לחלקיקים הטעונים – האלקטרונים והגרעינים האטומיים – שמרכיבים את התווך. למשל במים האור נע בערך 25% לאט יותר מאשר בחלל הריק ולכן זה קל עבור אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה לנוע מהר יותר מהאור במים, בעוד שהוא נותר איטי יותר מהאור בואקום. אם אכן חלקיק כזה חוצה את המים הוא יוצר גל הלם אלקטרומגנטי, שקול לגל ההלם שמטוס סילון יוצר בצפיפות האוויר. וגל הלם זה מקרין החוצה מהחלקיק בדיוק כמו שהגל הסוני קורן מהמטוס. הוא נושא עמו אנרגיה בצורות שונות – אורכי גל – של קרינה אלקטרומגנטית, כולל אור נראה. ישנה יותר אנרגיה שנוצרת בקצה הסגול של הספקטרום מאשר בקצה האדום ו[זו הסיבה מדוע האור נראה לעין כחלחל](http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1446&incat=1412&article_id=2721&act=forumPrint). קרינת צ'רניקוב משמשת אמצעי לגילוי חלקיקים בעלי אנרגיות גבוהה: ניתן לצפות בנוכחות שלהם על ידי האור שהם מקרינים וחקירת תבנית האור שהם קורנים. מתבנית זו למדים על המסלול של החלקיק בתווך, כמה אנרגיה הוא נושא ומהי מסתו (אלקטרונים מתפזרים בתווך ויוצרים טבעת תזזיתית, בעוד שחלקיקים כבדים יותר לא יעשו זאת). שלדון גלשו וסידני קולמן בחנו את תורת היחסות של אינשטיין לאור קרינת צ'רניקוב. בוחנים קרניים קוסמיות, חלקיקים שנעים אלינו מהחלל החיצון, והם פוגעים באטמוספרה. כתוצאה יש מטר של חלקיקים שאותן מגלים על הקרקע. קרניים קוסמיות יכולות לשאת אנרגיה גובהה ביותר, עד 100 מיליון פעמים יותר מהאנרגיה של הפרוטונים במאיץ ההדרונים הגדול. חלקיקים אלה הם ככל הנראה נוצרים במרחק של הרבה שנות אור מכדור הארץ, באירועים אסטרונומיים מאוד חזקים, כמו סופרנובות. נניח עתה שמהירות האור לא הייתה גבול עליון וחלקיקים אלה היו נעים במהירות שהיא גבוהה מזו של האור בואקום בחלל החיצון. זוכרים מה קרה כאשר האלקטרונים נעו במהירות שהיא גדולה יותר מהאור? קרינת צ'רניקוב. ולכן חלקיקים אלה של הקרינה הקוסמית בעלי אנרגיה אולטרא גבוהה היו עוברים גם כן קרינת צ'רניקוב. ומכיוון שיש להם מרחק כה עצום לנוע, הם היו מאבדים הרבה מהאנרגיה שלהם בצורת קרינה זו. יוצא שאיבוד אנרגיה זה יכול להיות מאוד מהיר, ושחלקיקים אלה לא היו יכולים לנוע למרחקים אסטרונומיים ולשמור על האנרגיה האולטרא גבוהה שלהם ולהגיע לכדור הארץ. הם מסוגלים להגיע לכדור הארץ ולא לאבד את האנרגיה הגבוהה שלהם רק אם מהירותם תישאר מאוד קרובה למהירות האור או מתחת למהירות האור. אם הקרניים הקוסמיות באנרגיות אולטרא גבוהות מסוגלות לנוע במהירות גבוהה מזו של האור, אז אנחנו לא יכולים לראות שום קרניים קוסמיות באנרגיות גבוהות בכלל, כי בדרך הם יאבדו את מרבית האנרגיה שלהם בטרם הם יגיעו לכדור הארץ. העובדה שאנחנו כן צופים בהם קרוב לכדור הארץ מוכיחה שהחלקיקים נעים במהירות שהיא פחותה ממהירות האור. ולכן תצפית זו שמה גבול עליון למהירות האור.   עתה כהן וגלשו הרחיבו את הטיעון הזה לעבר פליטת זוגות ברמשטרלונג – אלקטרון פוזיטרון – והשתמשו בזה כדי לטעון שהתוצאה שנתקבלה בגלאי OPERA היא בעלת חוסר קונסיסטנטיות פנימית. הם טוענים שהאפקט עצמו של מסע מהיר יותר מהאור שאותו גלאי האופרה לכאורה צפה אמור (כפי שהמודל הסטנדרטי מנבא) לגרום לעיוותים בקרן הניטרונים שבבירור לא נצפו בניסוי. ולכן קרן הניטרונים לא נעה במהירות על-אורית.   המאמר שלהם עושה שימוש בפיסיקה קונבנציונאלית בלבד – בכוח הגרעיני החלש ובתורת השדות הקוונטית, חוק שימור האנרגיה והתנע, יחסים בין אנרגיה ותנע ומהירות עבור החלקיקים השונים המעורבים וכמה תוצאות ניסוייות קודמות. הוא לא פונה לתיאוריות ספקולטיביות כמו תורת הכבידה הקוונטית או תורות מיתרים ואינו פונה לפיסיקה של ממדים גבוהים יותר כדי להסביר מדוע הניטרינים כן יכולים לנוע מהר מהאור או לא יכולים לנוע מהר מהאור.   ראוי להסביר מספר דברים על הניטרינים מהסופרנובה של 1987 לפני שנכנסים לעובי הקורה. הסופרנובה היא פצצה גרעינית של הטבע. בליבה הקורסת של הסופרנובה מספר עצום של פרוטונים מומרים על ידי בליעת אלקטרונים לניטרונים, כאשר בתהליך זה נפלטים ניטרינים. אלה הם הניטרינים האלקטרונים. ב-1987 אנחנו התוודינו להתפוצצות סופרנובה, כוכב ענק וכחול בשביל החלב, הענן המגלני הענק, במרחק של 160,000 שנות אור מאיתנו, שניתן היה לראות אותו מדרום לקו המשווה. חלק קטן מהאנרגיה של הסופרנובה נפלט כאור ואילו מרבית האנרגיה של הסופרנובה נפלטה בצורת בערך 10 טריליון נירטינים אלקטרונים שהגיעו לכאן. אלפי טריוליוני ניטרינים חלפו דרך גלאי הניטרינים בכדור הארץ והיו שפגעו בגלאים ונרשמו והפיסיקאים גילו את התנגשויות הניטרינים בנתוניהם. הם גילו שניטרינים הגיעו 20 שעות לפני התצפית של הסופרנובה. בינתיים הם הביטו בתצלומים ישנים יותר, שהראו שהאור הנראה מהסופרנובה הגיע שלוש שעות אחרי שהניטירנים הגיעו לכדור הארץ.   מכיוון שגל ההלם מהתפוצצות הסופרנובה היה צריך להגיע מהכוכב המתפוצץ בטרם הפסולת יכלה לזרוח, זאת בעוד שהניטרינים מההתפוצצות יכלו מיד לעוף דרך הכוכב ללא הפרעה, הייתה עקבה של כמה שעות בין ההגעה של הניטרינים להגעה של האור. ולכן התוצאה היא שהניטרינים נעו לאט יותר מהאור או במהירות כמו זו של האור. הם נעו במשך 168,000 שנים, בערך 5 טריליון שניות, והגיעו לכדור הארץ 3 שעות (10,000 שניות) לפני האור. אילו הניטרינים היו נעים אפילו אחד חלקי מיליון יותר מהר מהאור הם היו מגיעים חודשים לפני האור ולא שלוש שעות לפני האור.   האנרגיה של הניטרינים מהסופרנובה הייתה בכמה מאות סדרי גודל קטנה יותר מזו של הניטרונים בקרן ה-OPERA, ולכן לא ניתן להסיק מתצפית זו שתצפית ה-OPERA היא שגויה. אם תוצאת ה-OPERA היא נכונה, אז האפקט שנצפה גודל עם האנרגיה של הניטרינו. ולכן שואלים האם הניטרינים של הסופרנובה הם מסוג אחד, והם עשויים שתהיה להם מהירות אחת, בעוד שאלה ב-OPERA עשויים להיות סוג ניטרינים אחר ולכן נעים במהירות אחרת? מסתבר שלא יתכנו סוגים שונים של ניטרינים שינועו במהירויות שונות כדי להתאים בין תוצאות ניסוי ה-OPERA לתוצאות אירוע הסופרנובה 1987.   הניטרינים כמו הלפטונים הטעונים (אלקטרונים, מיואנים וטאו) מופיעים בשלושה סוגים שתלויים במסה של הניטרינו. הסיווג הוא מעט יותר מסובך. אבל כרגע נסווג לפי המסה. נניח שנתחיל בניטרינים בעלי אנרגיה גבוהה, ניטרינים אלקטרונים. ניטרינים אלה הם תערובת של שלושת סוגי הניטרינים בעלי מסה שונה. הניטרינים מתפשטים בחלל, אבל הם מכילים שלושה סוגי ניטרינים בעלי מסות שונות ולכן הם נעים במהירויות מעט שונות, כולם במהירויות מאוד קרובות לזו של האור. מדוע מהירויות מעט שונות? כי המהירות של עצם תלויה גם באנרגיה שלו וגם במסתו ושלושת סוגי הניטרינים הם בעלי מסות שונות. אמנם השוני במהירויות זעום, אבל הוא קיים.   אז התחלנו בניטרינים אלקטרונים שמורכבים משלושה סוגי ניטרינים בעלי מסות שונות. אולם שלושת סוגי הניטרינים בעלי המסות השונות גורמים לניטרינו האלקטרוני המקורי, בעודו נע בחלל, להיהפך לתערובת של ניטרינו אלקטרוני, ניטרינו מיואני וניטרינו-טאו. כמות התערובת תלויה בהבדלי המהירויות ולכן באנרגיה של הניטרינו ובהפרשי המסות של הניטרינו. דבר זה קרוי תנודות חלקיקי ניטרינו. כיצד בדיוק התנודות מתרחשות תלוי במסות של הניטרינים וכיצד סוגי הניטרינים שמסווגים לפי המסה והניטרינים שמסווגים לפי הכוח הגרעיני החלש מתערבבים זה עם זה.   בגלל תנודות ניטרינים הניטרינים של הסופרנובה הם לא מסוג אחד ובעלי מהירות אחת בעוד שהניטרינים מגלאי ה-OPERA הם מסוג אחר ונעים במהירות אחרת. ולכן תוצאות ניסוי הסופרנובה צריכות להתיישב עם תוצאות ניסוי ה-OPERA. אם תוצאת ניסוי ה-OPERA נכונה מהירות כל שלושת סוגי הניטרינו – הניטרינו המיואוני, הנירטינו האלקטרוני והניטרינו טאו – צריכה לגדול עם האנרגיה ולהיות שונה מזו של האור בערך באחד חלקיי מיליארד או פחות.   נחזור לקרינת צ'רניקוב. במים מהירות האור היא רק שלושת רבעי ממה שהיא בואקום וחלקיקים באנרגיה גבוהה יכולים בקלות לנוע מהר יותר מאשר האור נע במים. מיואונים בקרניים קוסמיות עושים זאת בממטרים, כאשר הם מגיעים לגשם לים קרוב למהירות האור בואקום.   ניטרינים הם לא טעונים חשמלית ובמבט ראשון הם לא פולטים קרינת צ'רניקוב. אבל מסתבר שזה גם כן לא מדויק, בגלל שלניטרונים יש מומנט מגנטי מאוד קטן – הם פועלים כמגנטים מאוד חלשים – שנוצר מאפקט קוונטי שקשור בכוחות האלקטרומגנטיים והגרעיני החלש. כתוצאה הם גם כן יפלטו צורה מאוד מעומעמת של קרינת צ'רניקוב. היא יותר מידי מעומעמת כדי להשפיע על מדידות ה-OPERA.   אבל אנדרו כהן ושלדון גלשו מציינים במאמרם שעבור ניטרינים ישנו תהליך יותר משמעותי: הניטרינים יסבלו מפליטת זוגות ברמשטרלונג, מה שיגרום לקרן הניטרינים להתדלדל מניטרינים בעלי אנרגיה גבוהה. בהגיעה לגרן ססו הקרן כבר תאבד את מרבית האנרגיה שלה ותעבור עיוותים ספקטראליים. האם נצפו עיוותים אלה? דומה שזה סותר את תוצאת האופרה לפיה הניטרינים נעים במהירות על-אורית.   ניטרינו שנע מספיק מהר יכול בעקרון לאבד אנרגיה על ידי פליטת חלקיק ואנטי חלקיק תואם באמצעות אפקטים של הכוח הגרעיני החלש. אילו הניטרינו יכל לנוע מהר יותר מהאור הוא היה פולט אלקטרון ופוזיטרון ומאבד אנרגיה בזוגות ברמשטרלונג. תהליך זה הוא במידה מסוימת כמו קרינת צ'רניקוב. קרינת צ'רניקוב נפלטת כמספר רב של פוטונים בתדירויות רבות וברציפות. התהליך של כהן וגלשו הוא שונה בגלל שהכוח הגרעיני החלש הוא חלש בהקשר זה. נפלט זוג אלקטרון פוזיטרון בעוד הניטרינו נע, כאשר הפליטה הראשונה מתרחשת בקפיצות דיסקרטיות כתופעה קוונטית אחרי כמה עשרות קילומטרים.   אילו הניטרינים של OPERA נעו מהר יותר מהאור בואקום בכמות שנמדדה בגלאי OPERA אז ניטרינים באנרגיה גבוהה יותר לא היו יכולים לסיים את המסע בן ה-730 קילומטרים מ-CERN למעבדת גרן ססו מבלי לאבד כמות נכבדה מהאנרגיה שלהם. למעשה עם כל פליטת זוגות ברמשטרלונג, ניטרינו OPERA יאבד 3/4 מהאנרגיה שלו בבת אחת. מרבית הניטרינים של קרן ה-OPERA הם בטווח האנרגיה של 20 עד 40 GeV, כאשר חלק מהם הם בטווח של מתחת ל-20 GeV. פליטת זוגות ברמשטרלונג על פני 730 ק"מ אמורה לרוקן בצורה משמעותית את הניטרינים באנרגיה גבוהה ולהעביר את רובם לטווח האנרגיות של ה-20 GeV. ולכן גלאי ה-OPERA לא היה יכול לראות מהירות על אורית מבלי לגלות עיוותים אלה באנרגיה, עיוות ספקטראלי. העובדה שגלאי OPERA לא גילה עיוות זה ובמקום מצא שהניטרינים הגיעו מוקדם מהאור ב-60 ננו שניות, מראה שמשהו השתבש בתצפית של OPERA.   בסוף המאמר שלהם כהן וגלשו נותנים את טיעון המחץ שתומך בטיעון שלהם. הם טוענים שניטרינים, שהם פי 100 או 1000 יותר אנרגטיים מאלה שבקרן ה-OPERA כבר נצפו בשני ניסויים אחרים, הסופר-קמיוקנדה ביפן וטלסקופ האייס קיוב. הם גם אמורים לפלוט זוגות ברמשטרלונג וגלאי יבחין בעיוותים ספקטראליים משמעותיים [אם הם ינועו במעט מעל למהירות האור.](http://icecube.wisc.edu) ניטרינים אלה לא אבדו את מרבית האנרגיה שלהם בעודם נעים את המרחק הזה של 500 ק"מ עד לגלאי. ולכן כמו קרן ה-OPERA דומה שהם לא פלטו זוגות ברמשטרלונג כמו הניטרינים בקרן ה-OPERA. ואם הם לא עשו זאת, הם היו צריכים לנוע קרוב מאוד למהירות האור בחלל הריק.